Name: Metodologia projektowania i charakteryzacji wydajnych filtrów MEMS o szerokim zakresie (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-02-04T13:00:00.000+00:00
Duration: 15 min 25 s
Description: Poznaj metodę projektowania filtrów MEMS z szerokim zakresem strojenia częstotliwości przy użyciu wibrometru laserowego Dopplera. Technika LDV umożliwia precyzyjne pomiary rezonansów wyższych modów i zapobiega uszkodzeniom urządzeń.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ta praca była wspierana przez Laboratorium Badawcze Armii Stanów Zjednoczonych, Adelphi, MD, USA, pod nadzorem Grantu W91ZLK-12-P-0447. Pomiary rezonansu zostały przeprowadzone z pomocą Michaela Stone'a i Anthony'ego Brocka. Pomiar kamerą termowizyjną został przeprowadzony z pomocą Damona Conovera z George Washington University.

1. Wybór i projektowanie optymalnej struktury
<ol>
	<li>Wybierz wiązkę stało-stałą do strojenia częstotliwości w szerokim zakresie (w porównaniu z innymi kandydatami, umożliwia strojenie w szerokim zakresie, gdy jest podgrzewana ze względu na duży współczynnik temperaturowy częstotliwości (TCF) i znikomą stałą rozszerzalności cieplnej).</li>
	<li>Zaprojektuj dłuższą wiązkę, jeśli celem jest poprawa wydajności strojenia. Zaprojektuj krótszą wiązkę, jeśli celem jest przeskakiwanie częstotliwości lub śledzenie sygnału.</li>
</ol>
2. Modelowanie i produkcja w komplementarnych półprzewodnikach metalowo-tlenkowych (CMOS)
<ol>
	<li>Zaprojektuj i stwórz model 3D filtra MEMS w programie opartym na MES.</li>
	<li>Zrekonstruuj ten sam układ w narzędziu do projektowania układów scalonych (IC), warstwa po warstwie, aby utworzyć plik gds.</li>
	<li>Prześlij ten plik gds do odlewni CMOS w celu wytworzenia (użyliśmy technologii CMOS 0,6 μm).</li>
	<li>Kontynuuj przetwarzanie końcowe po zakończeniu procesu CMOS (zwróć uwagę, że chipy powinny mieć warstwy polikrzemu, aluminium i tlenku).
	<ol>
		<li>Przeprowadzić proces wytrawiania na sucho CHF3/O2 za pomocą systemu wytrawiania plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP). Wytraw SiO2 między warstwami aluminium i uformuj belki o proporcjach 5,7. Do tego procesu należy użyć następujących parametrów: CHF3 przy 40 sccm, O2 przy 5 sccm, ciśnienie przy 0,5 Pa, moc ICP przy 500 W i moc próbki przy 100 W przy całkowitym czasie trawienia 56 min.</li>
		<li>Zastosuj proces wytrawiania XeF2 w podłożu krzemowym, aby utworzyć wnękę o głębokości 9 μm pod belkami. Do tego procesu należy użyć systemu wytrawiania XeF2 przez 3 cykle w temperaturze 3T, przez 60 s/cykl.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Scharakteryzuj urządzenia za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM), aby upewnić się, że są prawidłowo wykonane. Na tym etapie należy zmienić napięcie przyspieszające wiązkę na 2,58 kV, a odległość roboczą na 9,5 mm.</li>
</ol>
3. Testowanie urządzeń
Uwaga: Testowanie urządzenia składa się z wielu etapów, w tym testu ogrzewania Joule'a i testu odpowiedzi częstotliwościowej.
<ol>
	<li>Test kamery termowizyjnej dla wbudowanych grzejników
	<ol>
		<li>Umieść kamerę termowizyjną na chipie i przetestuj wbudowane grzejniki, aby upewnić się, że ogrzewają wiązki.</li>
		<li>Podłącz zasilacz do pakietu chipów i przyłóż napięcie DC do wbudowanych grzejników od 0 V do 5,7 V w małych odstępach, aby zwiększyć temperaturę w całej wiązce.</li>
		<li>Rejestruj profil temperatury w całym pakiecie chipów za pomocą kamery termowizyjnej podczas procesu podgrzewania. Zapisz wyniki w numerycznym programie obliczeniowym i wykreśl profil grzewczy.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Kalibracja LDV i konfiguracja testowa
	<ol>
		<li>Umieść laser na belkach o długości 120 μm.</li>
		<li>Podłącz zasilacz między dwiema wiązkami o długości 120 μm, aby przyłożyć zarówno napięcie 7 V DC, jak i 3 V AC do operacji rezonansowej. Podłącz dodatkowe napięcie polaryzacji DC do wbudowanych grzejników o maksymalnej wartości 5,7 V, aby zastosować ogrzewanie Joule'a do wiązek podczas operacji rezonansowej.</li>
		<li>Przesuń laser w inne miejsce na wiązce, aby uzyskać odbicie lasera o niskim poziomie szumów. Pamiętaj, aby zwiększyć intensywność niebieskiego paska, aby zmniejszyć hałas.</li>
		<li>Podziel ekran na wiele widoków, aby skalibrować i rozpocząć konfigurację pomiaru.</li>
		<li>Przejdź do Ustawień akwizycji, ustaw tryb pomiaru na FFT, nie używaj żadnego filtra i ustaw szerokość pasma na 2 MHz.</li>
		<li>Zmień prędkość tak, aby mogła obsługiwać maksymalną częstotliwość 2,5 MHz.</li>
		<li>Użyj okresowego przebiegu ćwierkania. 
		UWAGA: Tutaj amplituda oznacza napięcie prądu przemiennego, a przesunięcie oznacza napięcie stałe.</li>
		<li>Rozpocznij pomiar z tą nową konfiguracją.</li>
		<li>Zaktualizuj ustawienia akwizycji, zmieniając napięcie DC na 1 V.</li>
		<li>Zmniejsz przyłożone napięcie polaryzacji w oknie Ustawienia akwizycji, gdy Ref1 pokazuje czerwony alarm (oznacza to, że sygnał jest zaszumiony).</li>
		<li>Przesuń laser w inne miejsce na wiązce, aby jeszcze bardziej zwiększyć stosunek sygnału do szumu. Czasami na belce mogą znajdować się złe miejsca, które powodują czerwony alarm na pasku wibracyjnym; W takim przypadku kontynuuj wyszukiwanie najlepszego miejsca.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Testowanie filtrów MEMS o długości 68 μm za pomocą LDV
	<ol>
		<li>Wybierz filtr MEMS o długości 68 μm do testowania.</li>
		<li>Zastosować napięcie 25 V DC i napięcie 5 V AC razem między dwiema sąsiednimi belkami o długości 68 μm. W tym przypadku napięcie stałe zapewnia zginanie, a napięcie przemienne umożliwia działanie rezonansowe.</li>
		<li>Podłącz dodatkowe napięcie DC do wbudowanych grzejników umieszczonych w wiązce o długości 68 μm i zwiększaj napięcie z 0 V do 5,7 V w małych przyrostach. Zapewni to dostrojenie częstotliwości w oparciu o ogrzewanie Joule'a.</li>
		<li>Obserwuj i zapisuj częstotliwość rezonansową i odpowiedź fazową w odniesieniu do przyłożonego napięcia polaryzacji na każdym kroku i podsumuj wyniki w tabeli. W tym przypadku całkowite strojenie częstotliwości dla tej próbki wynosi około 874 kHz, gdy napięcie 5,7 V DC jest przyłożone do wbudowanej grzałki. 
		UWAGA: Symulacje (po prawej stronie) i pomiar rzeczywisty (po lewej stronie) są zsynchronizowane.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Pomiar w wyższych trybach
	<ol>
		<li>Naciśnij przycisk A/D, aby przejść do okna Ustawień Akwizycji pokazanego w Sekcji 3.2 i zmienić prędkość tak, aby obsługiwała bardzo wysokie częstotliwości.</li>
		<li>Zmierz pierwszy i drugi tryb za pomocą ich fazy. 
		UWAGA: Pierwotne przemieszczenie rezonansowe jest w kierunku Y dla modu-1 i jest w kierunku Z (czyli w kierunku mikroskopu) dla modu-2.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Unikanie awarii urządzenia
<ol>
	<li>Zastosowanie sygnału fali prostokątnej o niskiej częstotliwości do rozwiązywania problemów
	<ol>
		<li>Zastosuj sygnał fali prostokątnej o częstotliwości 1 Hz, aby rozwiązać problem tarcia, który wynika z ładunku elektrostatycznego między dwiema sąsiednimi wiązkami.</li>
		<li>Przejdź do skrzynki offsetowej i ustaw napięcie DC na 1 V, utrzymując napięcie AC na poziomie 1 V.</li>
		<li>Przejdź do pola częstotliwości i ustaw częstotliwość na 1 Hz.</li>
		<li>Aktywuj i zastosuj tę nową konfigurację na belkach.</li>
		<li>Zwróć uwagę na separację belek</li>.
	</ol>
	</li>
	<li>Wysoki stres termiczny i pieczenie
	<ol>
		<li>Do próby naprężeń termicznych należy użyć dodatkowej próbki.</li>
		<li>Zwiększ napięcie polaryzacji przyłożone do wbudowanej grzałki małymi krokami, aby znaleźć maksymalne dopuszczalne napięcie, zanim urządzenie ulegnie awarii z powodu dużego naprężenia termicznego.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. Zwiększanie możliwości strojenia
<ol>
	<li>Zastosuj napięcie 25 V DC i napięcie 5 V AC razem między dwiema sąsiednimi wiązkami 68 μm, zwiększając jednocześnie napięcie polaryzacji przyłożone do wbudowanej grzałki z 0 V do 5,7 V, aby uzyskać całkowite przesunięcie częstotliwości o 661 kHz.</li>
	<li>Zwiększ przyłożone napięcie polaryzacji z 25 V do 35 V, aby dodać dodatkowy efekt zmiękczenia sprężyny między dwiema sąsiednimi belkami o długości 68 μm, jednocześnie stosując napięcie 1 V AC i zachowując tę samą konfigurację napięcia polaryzacji na wbudowanych grzejnikach.</li>
	<li>Zarejestruj 32% poprawę całkowitego przesunięcia częstotliwości, ponieważ powinno ono wzrosnąć z 661 kHz do 875 kHz dzięki temu dodatkowemu efektowi zmiękczenia sprężyny. 
	UWAGA: Zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, zmiana możliwości strojenia rezonatorów MEMS została osiągnięta po raz pierwszy w tej pracy.</li>
</ol>

<ol><li>Göktaş, H., Turner, K., Zaghloul, M. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/7762782/">Enhancement in CMOS-MEMS Resonator for High Sensitive Temperature Sensing.</a> IEEE Sensors J. 17 (3), 598-603 (2017).</li>
<li>Davila, A. P., Jang, J., Gupta, A. K., Walter, T., Aronson, A., Bashir, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microresonator+mass+sensors+for+detection+of+Bacillus+anthracis+Sterne+spores+in+air+and+water%5BTitle%5D)+AND+%22Biosens.+Bioelectron%22%5BJournal%5D)">Microresonator mass sensors for detection of Bacillus anthracis Sterne spores in air and water.</a> Biosens. Bioelectron. 22 (12), 3028-3035 (2007).</li>
<li>Lee, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Suspended+microchannel+resonators+with+piezoresistive+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Suspended microchannel resonators with piezoresistive sensors.</a> Lab Chip. 11 (4), 645-651 (2011).</li>
<li>Arash, H., Pourkamali, S. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/6111426/">Fabrication and Characterization of MEMS-Based Resonant Organic Gas Sensors.</a> IEEE Sensors J. 12 (6), 1958-1964 (2012).</li>
<li>Göktaş, H., Zaghloul, M. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/6985576/">Tuning In-Plane Fixed-Fixed Beam Resonators with Embedded Heater in CMOS Technology.</a> IEEE Electron Device Lett. 36 (2), 189-191 (2015).</li>
<li>Li, C. S., Hou, L. J., Li, S. S. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/6112657/">Advanced CMOS-MEMS Resonator Platform.</a> IEEE Electron Device Lett. 33 (2), 272-274 (2012).</li>
<li>Li, M. H., Chen, W. C., Li, S. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanically+Coupled+CMOS-MEMS+Free-Free+Beam+Resonator+Arrays+With+Ehanced+Power+Handling+Capability%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Ultrason.+Ferroelect.+Freq.+Control%22%5BJournal%5D)">Mechanically Coupled CMOS-MEMS Free-Free Beam Resonator Arrays With Ehanced Power Handling Capability.</a> IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Control. 59 (3), 346-357 (2012).</li>
<li>Lopez, J. L., et al. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/5109806/">A CMOS-MEMS RF-Tunable Bandpass Filter Based on Two High-Q 22-MHz Polysilicon Clamped-Clamped Beam Resonators.</a> IEEE Electron Device Lett. 30 (7), 718-720 (2009).</li>
<li>Khine, L., Palaniapan, M. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0960-1317/19/1/015017/meta">High-Q bulk-mode SOI square resonator with straight-beam anchors.</a> J. Micromech. Microeng. 19 (1), (2009).</li>
<li>Manca, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Programmable+mechanical+resonances+in+MEMS+by+localized+joule+heating+of+phase+change+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Programmable mechanical resonances in MEMS by localized joule heating of phase change materials.</a> Adv. Mater. 25 (44), 6430-6435 (2013).</li>
<li>Rúa, A., et al. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4716191?journalCode=jap">Phase transition behavior in microcantilevers coated with M1-phase VO2 and M2-phase VO2:Cr thin films.</a> J. Appl. Phys. 111 (10), 104502(2012).</li>
<li>Remtema, T., Lin, L. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924424701006033">Active frequency tuning for micro resonators by localized thermal stressing effects.</a> Sens. Actuators A, Phys. 91 (3), 326-332 (2001).</li>
<li>Göktaş, H., Zaghloul, M. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015RS005893/abstract">The Implementation of Low Power and Wide Tuning Range MEMS filters for Communication Applications.</a> Radio Sci. 51 (10), 1636-1644 (2016).</li>
<li>Göktaş, H., Zaghloul, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Novel+Microhotplate%3A+A+Design+Featuring+Ultra+High+Temperature%2C+Ultra+Low+Thermal+Stress%2C+Low+Power+Consumption+and+Small+Response+Time%5BTitle%5D)+AND+%22Sensor+Comm%22%5BJournal%5D)">The Novel Microhotplate: A Design Featuring Ultra High Temperature, Ultra Low Thermal Stress, Low Power Consumption and Small Response Time.</a> Sensor Comm. , (2013).</li>
<li>Kushmerick, J. G., et al. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1023/A%3A1009082530479">The influence of coating structure on micromachine stiction.</a> Tribol Lett. 10 (1), (2001).</li>
<li>Kim, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0960-1317/12/5/327/meta">Continuous anti-stiction coatings using self-assembled monolayers for gold microstructures.</a> J. Micromech. Microeng. 12 (5), 688-695 (2002).</li>
<li>Bhattacharya, E., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pssa.200461149/abstract">Effect of porous silicon formation on stiction in surface micromachined MEMS structures.</a> Phys. Stat. Sol. (A). 202 (8), 1482-1486 (2005).</li>
<li>Koppaka, S. B., Phinney, L. M. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/1416917/">Release Processing Effects on Laser Repair of Stiction-Failed Microcantilevers.</a> J. Microelectromech. Syst. 14 (2), 410-418 (2005).</li>
<li>Ghatkesar, M. K., et al. <a target="_blank" href="https://www.semanticscholar.org/paper/Higher-modes-of-vibration-increase-mass-sensitivit-Ghatkesar-Barwich/b50ed2d5233ea10271788baa70517f97d465d3aa">Higher modes of vibration increase mass sensitivity in nanomechanical microcantilevers.</a> Nanotechnology. 18 (44), 445502(2007).</li>
<li>Göktaş, H., Mona, Z. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/6688202/">High Sensitivity CMOS Portable Biosensor with Flexible Microfluidic Integration.</a> IEEE SENSORS. , (2013).</li>
</ol>

Nie mamy nic do ujawnienia.

Jednym z krytycznych kroków w budowaniu filtrów MEMS jest zaprojektowanie urządzenia w oparciu o obszar zastosowania. Wiązka powinna być dłuższa lub cieńsza dla lepszej wydajności strojenia (ppm/mW), ale krótsza lub cieńsza dla zastosowań związanych z przeskakiwaniem częstotliwości lub śledzeniem sygnału. W ten sam sposób wyraźna detekcja sygnału za pomocą LDV ma kluczowe znaczenie w testowaniu urządzeń, dlatego lepiej jest zaprojektować wiązkę o grubości co najmniej 3-4 μm. W przeciwnym razie sygnał będzie zaszumiony, n...

Istnieje rosnące zapotrzebowanie na filtry MEMS ze względu na ich wysoką niezawodność, niskie zużycie energii, kompaktową konstrukcję, wysoką jakość i niski koszt. Są szeroko stosowane jako czujniki i jako podstawowe części w komunikacji bezprzewodowej. Czujniki temperatury1, bio-sensors2,3, gas-sensors4, filters5,6,7 i oscylatory to najpopularniejsze obszary zastosowań. Najpopularniejsze elektrostatyczne filtry MEMS to stałowiązka stałopozycyjna5,8, cantilever2, kamerton6, free-free beam6,7, flexural-disk design7 oraz square shape design9. 
Istnieje wiele krytycznych kroków w realizacji filtra MEMS, takich jak metodologia projektowania (optymalizacja struktury oparta na aplikacjach, szeroki zakres regulacji częstotliwości i unikanie awarii) oraz charakterystyka (szybkie prototypowanie, unikanie pojemności pasożytniczych i wykrywanie wyższych trybów). Zdolność do dostrajania częstotliwości jest wymagana, aby skompensować wszelkie zmiany częstotliwości spowodowane tolerancjami produkcyjnymi lub zmianami temperatury otoczenia. W literaturze opisano różne techniki10,11,12 opisano w literaturze w celu spełnienia tego wymogu; Mają jednak pewne wady, takie jak ograniczone możliwości dostrajania częstotliwości, niska częstotliwość środkowa, dodatkowe wymagania dotyczące przetwarzania końcowego i zewnętrzna grzałka<klasa SUP='xref'>10,<klasa SUP='xref'>11.
W tym badaniu prezentujemy szeroki zakres częstotliwości strojenia metodą ogrzewania Joule'a5,13 w ograniczonym zakresie częstotliwości poprzez zmianę modułu sprężystości12 (zwiększając napięcie polaryzacji DC między dwoma sąsiednimi wiązkami) i metodą przejścia fazowego materiału10,11. Ponadto optymalny wybór struktury i projektowanie oparte na aplikacjach zostały podsumowane w Göktaş i Zaghloul13. Tutaj pokazujemy, jak dostroić częstotliwość rezonansową wiązki stałej-stałej poprzez zwiększenie napięcia stałego przyłożonego do wbudowanej grzałki za pomocą LDV. Symulacja analizy elementów skończonych (MES) jest zsynchronizowana z pomiarem LDV w tej samej ramce w celu wizualizacji mechanizmu strojenia. Obejmuje to profil ogrzewania i gięcia Joule w całej belce.
Prezentujemy również możliwe awarie (spalone urządzenia i uszkodzenia) oraz proponowane ich rozwiązania. Metoda ogrzewania Joule'a w połączeniu z wysokim naprężeniem termicznym wiązki stałej-stałej zapewnia strojenie częstotliwości w szerokim zakresie, ale jednocześnie może powodować spalenie urządzeń przy określonym poziomie temperatury. Przypisuje się to dużym naprężeniom termicznym między różnymi materiałami14. Rozwiązaniem jest zwiększenie napięcia DC między dwiema sąsiednimi wiązkami, co z kolei zwiększa zakres strojenia (o 32%) i eliminuje potrzebę stosowania wysokiej temperatury. Ta metoda "dostrajania zakresu strojenia" została po raz pierwszy zademonstrowana w Göktaş i Zaghloul5, wyjaśniona bardziej szczegółowo w Göktaş i Zaghloul13, a następnie ponownie zaprezentowana tutaj. Z drugiej strony tarcie może mieć miejsce podczas procesu produkcyjnego lub operacji rezonansowej. Zaproponowano wiele technik rozwiązania tego problemu, takich jak nakładanie powłoki powierzchniowej w celu zmniejszenia energii przyczepności15,16, zwiększanie chropowatości powierzchni17 oraz proces naprawy laserowej18. W przeciwieństwie do tego, prezentujemy prostą technikę, w której sygnał fali prostokątnej o niskiej częstotliwości został zastosowany między dwiema dołączonymi wiązkami, a separacja została pomyślnie zarejestrowana przez LDV. Ta metoda może wyeliminować dodatkowe koszty i zmniejszyć złożoność projektu. 
Kolejnym kluczowym krokiem w budowaniu najnowocześniejszego filtra MEMS jest charakterystyka i weryfikacja. Charakteryzacja za pomocą analizatora sieci jest jedną z najpopularniejszych i najszerzej stosowanych metod; Ma jednak pewne wady. Nawet mała pojemność pasożytnicza może zabić sygnał, więc zwykle wymaga to obwodu wzmacniacza3,6,8 do eliminacji szumów i może wykryć tylko rezonans pierwszego trybu. Z drugiej strony, charakteryzacja za pomocą LDV jest wolna od tego pasożytniczego problemu pojemności i może wykryć znacznie mniejsze przemieszczenie. Umożliwia to szybkie prototypowanie, jednocześnie eliminując potrzebę projektowania wzmacniacza. Co więcej, LDV może wykrywać rezonans w trybie wyższym filtrów MEMS. Ta cecha jest bardzo obiecująca, zwłaszcza w dziedzinie wysoce czułych biosensorów. Wyższy tryb wysięgnika może zapewnić znacznie większą czułość19. Pokazano pomiar w wyższym trybie wiązki stało-stałej z LDV i zastosowano go do pomiaru symulacyjnego MES. Przedwczesne wyniki symulacji MES oferują do 46-krotną poprawę czułości w porównaniu z pierwszym trybem belki stałej.

<table><tbody><tr><td>Laserowy wibrometr dopplerowski</td><td>Polytec</td><td>Polytec MSA-500</td><td></td></tr><tr><td>Skaningowy mikroskop elektronowy</td><td>Kamera termowizyjna Zeiss</td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>X</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Zasilacz&nbsp;</td><td>Egilent</td><td>(E3631A)Mikroskop</td><td></td></tr> <tr><td></td><td>X</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Narzędzie symulacyjne Coventor Coventor</td><td></td><td></td> Narzędzie <td>do symulacji</td></tr><tr><td>kadencji Wirtuoz</td><td></td><td></td> kadencji <td>Narzędzie do symulacji</td></tr><tr><td>Multisim Multisim</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

metodologia projektowania i charakteryzacji wydajnych filtrów mems o szerokim zakresie

Design and Characterization Methodology for Efficient Wide Range Tunable MEMS Filters

Tutaj pokazujemy zalety laserowego wibrometru dopplerowskiego (LDV) nad konwencjonalnymi technikami (analizator sieci), a także techniki tworzenia filtra systemów mikroelektromechanicznych opartych na aplikacjach (MEMS) i jak go efektywnie używać (tj. dostrajając zdolność strojenia i unikając zarówno awarii, jak i problemów). LDV umożliwia kluczowe pomiary, które są niemożliwe do wykonania za pomocą analizatora sieci, takie jak detekcja w trybie wyższym (wysoce czuła aplikacja biosensorów) i pomiar rezonansu dla bardzo małych urządzeń (szybkie prototypowanie). W związku z tym LDV wykorzystano do scharakteryzowania zakresu strojenia częstotliwości i częstotliwości rezonansowej w różnych trybach filtrów MEMS zbudowanych na potrzeby tego badania. Ten mechanizm dostrajania częstotliwości w szerokim zakresie opiera się po prostu na ogrzewaniu Joule'a z wbudowanych grzejników i stosunkowo wysokim naprężeniu termicznym w odniesieniu do temperatury wiązki o stałej stałej częstotliwości. Wykazaliśmy jednak, że kolejnym ograniczeniem tej metody jest wynikające z tego duże naprężenia termiczne, które mogą spowodować spalenie urządzeń. Osiągnięto dalszą poprawę i po raz pierwszy wykazano ją w tym badaniu, tak że zdolność strojenia wzrosła o 32% poprzez wzrost przyłożonego napięcia polaryzacji prądu stałego (od 25 V do 35 V) między dwiema sąsiednimi wiązkami. To ważne odkrycie eliminuje potrzebę dodatkowego ogrzewania Joule'a w szerszym zakresie strojenia częstotliwości. Innym możliwym błędem jest problem z optymalizacją konstrukcji: Proponujemy prostą i łatwą technikę aplikacji sygnału fali prostokątnej o niskiej częstotliwości, która może z powodzeniem oddzielić wiązki i wyeliminować potrzebę stosowania bardziej wyrafinowanych i skomplikowanych metod podawanych w literaturze. Powyższe wyniki wymagają metodologii projektowania, dlatego zapewniamy również projektowanie oparte na aplikacjach.

Stykcję unikano, stosując sygnał prostokątny o niskiej częstotliwości, co zweryfikowano za pomocą LDV (Rycina 1). Możliwy błąd spowodowany wysokim naprężeniem termicznym14 po zastosowaniu stosunkowo wyższego napięcia stałego do wbudowanych grzałek potwierdzono mikroskopowo (Rycina 2). Program FEM został wykorzystany do wyznaczenia wyższych trybów drgań belki (Rycina 3). Zmiana...

Przedstawiono protokół dla projektowania wiązki o stałej i stałej wiązce za pomocą laserowego wibrometru dopplerowskiego (LDV), w tym pomiar strojenia częstotliwości, modyfikację możliwości strojenia oraz unikanie awarii i problemów urządzenia. Wyższość metody LDV nad analizatorem sieci wynika z jej wyższej zdolności modalnej.

Metodologia projektowania i charakteryzacji wydajnych filtrów MEMS o szerokim zakresie

Here, we demonstrate the advantages of the laser Doppler vibrometer (LDV) over conventional techniques (the network analyzer), as well as the techniques ...

Filtry są bardzo popularne i szeroko stosowane w sekwencji odbiorników i nadajników w komunikacji bezprzewodowej. Ponadto najpopularniejszym zastosowaniem są czujniki gazu, biosensory i czujniki temperatury. Te wysoce wymagające filtry powinny być wytwarzane w procesie CMOS MEMS, aby wspierać zarówno bardziej niezawodną produkcję, jak i konstrukcję sygnału o niskim poziomie szumów, eliminując dodatkowe przewody między dwoma oddzielnymi układami.CMOS oznacza komplementarny półprzewodnik z tlenku metalu, a MEMS oznacza systemy i czujniki mikroelektromechaniczne. Co więcej, proces końcowy powinien być zaprojektowany w taki sposób, aby uniknąć tarcia podczas procesu produkcyjnego. Dobrze znaną metodą pomiaru rezonansu rezonatorów MEMS jest użycie analizatora sieci, ale nie jest to tak skuteczna metoda jak technika laserowego wibrometru dopplerowskiego z następujących powodów.Jednym z największych wyzwań związanych z metodą analizatora sieci jest wyeliminowanie pojemności pasożytniczej. Widzę, że narzędzie do projektowania zostało użyte do wysadzenia częstotliwości i odpowiedzi fazowej równoważnego obwodu dla wiązki o długości 120 mikronów. Te dwie waty wartości szczytowej drastycznie spadły z 6 dB do 0,34 dB, nawet gdy pojemność pasożytnicza wzrosła z jednego femtofarada do 20 femtofaradów.Dlatego wymaga to jednego chipa do zaprojektowania ognia tuż obok maksymalnych rezonatorów. Laserowy wibrometr dopplerowski to kolejna metoda, która wykorzystuje laser do wykrywania wibracji wiązek podczas ich rezonansu. W przeciwieństwie do analizatora sieci, technika laserowego wibrometru dopplerowskiego eliminuje problem pojemności pasożytniczej.Ponadto może wykrywać rezonans w trybie wyższym, co przynosi wiele korzyści w różnych obszarach badawczych, takich jak zastosowania biowrażliwe, i może charakteryzować znacznie mniejsze rezonatory w przeciwieństwie do analizatora sieci. Umożliwia to szybkie prototypowanie oraz bardziej czułe i dokładne rezonatory, zwłaszcza w zastosowaniach biowrażliwych. Celem tego badania jest dostarczenie wytycznych do zademonstrowania po zaprojektowaniu, zmierzenia strojenia częstotliwości, dostrojenia możliwości strojenia, uniknięcia podwójnej statycznej wiązki stałej-stałej za pomocą laserowego wibrometru dopplerowskiego.Proces rozpoczyna się od znalezienia optymalnej struktury. Wybierz, stała wiązka na drugim strojeniu szerokozakresowym, ponieważ stała wiązka stała w porównaniu z innymi kandydatami umożliwia strojenie w szerokim zakresie, gdy jest podgrzewana, ze względu na duży współczynnik temperaturowy częstotliwości i indywidualną stałą rozszerzalności cieplnej. Zaprojektuj dłuższą wiązkę, jeśli celem jest lepsza wydajność strojenia.Zaprojektuj krótszą wiązkę, jeśli celem jest przeskakiwanie częstotliwości lub śledzenie sygnału. Zaprojektuj i stwórz model 3D podajnika MEMS w programie opartym na elementach skończonych. Zrekonstruuj ten sam układ w narzędziu do projektowania układów scalonych warstwa po warstwie, aby utworzyć plik GDS.Prześlij ten plik GDS do odlewni CMOS w celu wyprodukowania. Tutaj używamy technologii CMOS 0,6 mikrona. Po zakończeniu procesu CMOS chipy powinny być wyposażone w warstwy polikrzemu, aluminium i tlenku.Kolejnym krokiem jest przeprowadzenie kroków post-processingowych. Przeprowadź proces wytrawiania na sucho CHF302 za pomocą systemu ICPH, który jest dwutlenkiem krzemu między warstwami aluminium w celu utworzenia wiązek o proporcjach 5,7. W tym procesie użyj następujących parametrów.CHF3 przy 40sccm, tlen przy 5sccm, ciśnienie przy 0,5 paskala, moc ICP przy 500 watach, moc próbki przy 100 watach przy całkowitym czasie trawienia 56 minut. Zastosuj proces wytrawiania fluorkiem ksenonu w podłożu krzemowym, aby utworzyć wnękę o głębokości dziewięciu mikrometrów pod belkami. Do tego procesu należy użyć systemu wytrawiania fluorkiem ksenonu przez trzy cykle po trzech torach przez 60 sekund na cykl.Scharakteryzuj urządzenia w ECM, aby upewnić się, że są prawidłowo wykonane. Na tym etapie zmień napięcie przyspieszające wiązkę na 2,58 kilowolta, a odległość roboczą na 9,5 milimetra. Testowanie urządzenia składa się z wielu etapów, w tym testu ogrzewania dżuli i testu odpowiedzi częstotliwościowej.Zlokalizuj kamerę termowizyjną na chipie i przetestuj grzejniki otoczenia, aby upewnić się, że ogrzewają belki. Podłącz zasilacz do pakietu chipów, aby przyłożyć napięcie DC do wbudowanych grzejników w zakresie od 0 V do 5,7 V z małymi przyrostami w celu zwiększenia temperatury w wiązkach. Rejestruj profil temperatury w całym pakiecie chipów za pomocą kamery termowizyjnej podczas procesu ogrzewania i zapisz wyniki w numerycznym programie uzupełniającym i wykreśl profil grzewczy.Umieść laser na górze wiązek o długości 120 mikrometrów. Podłącz zasilacz między dwiema wiązkami o długości 120 mikronów, aby przyłożyć około siedmiu napięć prądu stałego i trzech prądów przemiennych do operacji rezonansowej. Podłącz dodatkowe napięcie polaryzacji prądu stałego do wbudowanych grzejników o maksymalnym napięciu 5.7 V, aby zastosować ogrzewanie Joule'a do wiązek podczas operacji rezonansowej.Przesuń laser w inne miejsce na wiązce, aby uzyskać długie, mniejsze odchylenie lasera. Pamiętaj, aby zwiększyć intensywność niebieskiego paska, aby zmniejszyć hałas. Podziel ekran na wiele widoków, aby skalibrować i rozpocząć konfigurację pomiaru.Przejdź do ustawień pobierania. Ustaw tryb pomiaru na FFT. Nie używaj żadnego filtra.I ustaw przepustowość na dwa megaherce. Zmień prędkość, która może obsługiwać maksymalną częstotliwość 2,5 megaherca. Używaj okresowego przebiegu chipa.Tutaj amplituda oznacza napięcie prądu przemiennego, a przesunięcie oznacza napięcie stałe. Rozpocznij ciągły pomiar z tą nową konfiguracją. Zaktualizuj ustawienia akwizycji, zmieniając napięcie DC na jeden wolt.Gdy Ref1 pokazuje czerwony alarm, oznacza to, że sygnał jest głośny. Zmniejsz zastosowane napięcie polaryzacji w oknie ustawień akwizycji, aby rozwiązać problem. Przesuń laser w inne miejsce na wiązce, aby uzyskać dalszy wzrost stosunku sygnału do szumu.Czasami możesz znaleźć złe miejsca na belce, które powodują czerwony alarm na pasku wibracyjnym. Po prostu szukaj najlepszego miejsca na belce. Wybierz filtr MEMS o długości 68 mikronów do testowania.Zastosuj napięcie 25 V DC i napięcie AC 5 V razem między dwiema sąsiednimi wiązkami o długości 68 mikronów. Tutaj napięcie stałe zapewnia pasmo, a napięcie przemienne umożliwia działanie rezonansowe. Podłącz dodatkowe napięcie DC do wbudowanych grzejników znajdujących się w wiązce o długości 68 mikronów i zwiększ napięcie z zera woltów do 5,7 V małymi krokami.Zapewni to dostrojenie częstotliwości w oparciu o ogrzewanie dżulowe. Obserwuj i rejestruj częstotliwość rezonansową i odpowiedź fazową w odniesieniu do przyłożonego napięcia polaryzacji na każdym kroku i podsumuj wyniki w tabeli. Tutaj całkowite strojenie częstotliwości dla tej próbki wynosi około 874 kiloherców, gdy do wbudowanej grzałki przyłożone jest napięcie prądu stałego 5,7 V.Naciśnij przycisk A/D, aby przejść do okna ustawień akwizycji pokazanego w sekcji kalibracji LDV i konfiguracji testu i zmienić prędkość, która może obsługiwać bardzo wysokie częstotliwości. Zmierz pierwszy i drugi tryb wraz z ich fazą. Zastosuj sygnał fali prostokątnej o częstotliwości jednego herca, aby rozwiązać problem tarcia wynikający z ładowania prędkością z dwóch sąsiednich wiązek.Przejdź do zakładki generatora i wybierz kształt fali prostokątnej z menu rozwijanego przebiegu. Przejdź do skrzynki offsetowej i ustaw napięcie DC na jeden wolt. Przejdź do pola częstotliwości i ustaw częstotliwość na jeden herc.Aktywuj i zastosuj te nowe ustawienia na belkach. Zwróć uwagę na separację belek. Do próby naprężeń termicznych należy użyć dodatkowej próbki.Zwiększ przyłożone napięcie polaryzacji na wbudowanej grzałce z niewielkim przyrostem, aby znaleźć maksymalne dopuszczalne napięcie przed awarią urządzenia z powodu dużego naprężenia termicznego. Zastosuj napięcie 25 V DC i napięcie AC 5 V razem między dwiema sąsiednimi wiązkami o długości 68 mikronów, zwiększając jednocześnie napięcie polaryzacji przyłożone do wbudowanej grzałki z 0 V do 5,7 V, aby uzyskać całkowite przesunięcie częstotliwości o 661 kiloherców. Zwiększ przyłożone napięcie polaryzacji z 25 V do 35 V, aby dodać dodatkowy efekt zmiękczenia między dwiema sąsiednimi wiązkami o długości 68 mikronów, jednocześnie stosując napięcie prądu przemiennego o napięciu jednego V i utrzymując tę samą konfigurację napięcia polaryzacji na wbudowanych grzejnikach.Odnotuj 32% poprawę całkowitego przesunięcia częstotliwości, ponieważ powinno ono wzrosnąć z 661 kiloherców do 875 kiloherców, co wynika z tego dodatkowego efektu zmiękczenia. Strojenie częstotliwości w szerokim zakresie z zastosowaniem przyłożonego napięcia polaryzacji do wbudowanych grzałek jest osiągane i weryfikowane za pomocą laserowego wibrometru dopplerowskiego. Pomiar rezonansu o wyższym napięciu jest bardzo ważny dla rezonatorów, ponieważ oferuje obiecujące wyniki dla wysoce czułych i dokładnych bioczujników.Laserowy wibrometr dopplerowski umożliwia pomiar wysokiego napięcia, który jest prawie niemożliwy do odczytania za pomocą analizatora sieci. Piąty tryb mierzono za pomocą laserowego wibrometru dopplerowskiego, mierząc wiele punktów na każdej wiązce. Zmierzony kształt trybu wpływania na dopasowania do wyników programu opartego na analizie elementów skończonych pokazany w prawym rogu.Ten film uczy, jak projektować, wytwarzać i charakteryzować długofalowe, przestrajalne filtry CMOS MEMS o szerokim zakresie. Szeroki zakres przestrajalnych filtrów MEMS jest bardzo wymagający, szczególnie w zastosowaniach związanych ze śledzeniem sygnału i przeskakiwaniem częstotliwości. Dlatego po zwiększeniu zakresu strojenia przy jednoczesnym uniknięciu awarii jest on skutecznie demonstrowany, łatwy w aplikacji i powtarzalny.Metody unikania typowych problemów, takich jak spalanie i tarcie, są z powodzeniem demonstrowane ze względu na niezawodność i niskie koszty produkcji. W celu scharakteryzowania z powodzeniem wykazano wyższość laserowego wibrometru dopplerowskiego lub analizatora sieci. aby nie tylko umożliwić malowanie pasków w piątym trybie, ale także umożliwić najnowocześniejszą technologię przenośnych biosensorów i wczesnej diagnostyki, takiej jak HIV.

design-characterization-methodology-for-efficient-wide-range-tunable

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Wykorzystanie mikroelektromechanicznych systemów (MEMS) do opracowywania narzędzi diagnostycznych

Opisujemy zastosowanie techniki przetapiania laserem dwutlenku węgla do wytwarzania krzemionkowych wnęk rezonansowych, w tym wolnostojących mikrosfer oraz mikrotoroidów na chipie. Metoda przetapiania usuwa niedoskonałości powierzchni, co pozwala na uzyskanie długiego czasu życia fotonów w obu typach urządzeń. Powstałe urządzenia charakteryzują się ultrawysokimi dobrociami, co umożliwia ich zastosowanie w szerokim zakresie, od telekomunikacji po biodetekcję.

Wytwarzanie krzemionkowych mikrorozwiązujących o ultrawysokim czynniku dobroci

Ten protokół opisuje symulację, wytwarzanie i charakterystykę absorberów metamateriałów THz. Takie absorbery, sprzężone z odpowiednim czujnikiem, mają zastosowanie w obrazowaniu i spektroskopii THz.

Symulacja, wytwarzanie i charakterystyka absorberów metamateriałowych THz

Solidna konstrukcja elektrostatycznych siłowników MEMS z obrzeżami pola skutkuje z natury niskimi warunkami tłumienia filmu ściskającego i długimi czasami stabilizacji podczas wykonywania operacji przełączania przy użyciu konwencjonalnego polaryzacji krokowej. Poprawa czasu przełączania w czasie rzeczywistym dzięki przebiegom dynamicznym prądu stałego skraca czas ustalania siłowników MEMS z polem obwódkowym podczas przechodzenia między stanami góra-dół i dół-dół-górę.

Metoda dynamicznego polaryzowania prądu stałego w czasie rzeczywistym w celu poprawy czasu przełączania w mocno niedotłumionych elektrostatycznych siłownikach MEMS z polem obrzeżnym

Parametryczne wzbudzenia optomechaniczne zostały ostatnio eksperymentalnie zademonstrowane w mikroprzepływowych rezonatorach optomechanicznych za pomocą ciśnienia promieniowania optycznego i stymulowanego rozpraszania Brillouina. W artykule opisano wytwarzanie tych rezonatorów mikroprzepływowych wraz z metodologiami generowania i weryfikacji oscylacji optomechanicznych.

Produkcja i testowanie mikroprzepływowych oscylatorów optomechanicznych

Nadprzewodzące rezonatory mikrofalowe są interesujące dla wykrywania światła, zastosowań obliczeń kwantowych i charakteryzacji materiałów. W pracy przedstawiono szczegółową procedurę wytwarzania i charakterystyki parametrów rozpraszania nadprzewodzącego rezonatora mikrofalowego.

Wytwarzanie i charakterystyka rezonatorów nadprzewodzących

Rozwój nowych sond ultradźwiękowych (US) opartych na technologii pojemnościowego mikroobrabianego przetwornika ultradźwiękowego (CMUT) wymaga wczesnej realistycznej oceny możliwości obrazowania. Opisujemy powtarzalny protokół eksperymentalny do pozyskiwania obrazów w USA i porównywania ich z obrazami rezonansu magnetycznego, wykorzystując mózg bydlęcy ex vivo jako cel obrazowania.

Eksperymentalny protokół oceny wydajności nowych sond ultradźwiękowych opartych na technologii CMUT w zastosowaniu do obrazowania mózgu

Przedstawiono protokół manipulowania mikrocząstkami w kanale mikroprzepływowym z wzbudzeniem o podwójnej częstotliwości.

Manipulacja mikrocząstkami poprzez powierzchniowe fale akustyczne z wzbudzeniami o podwójnej częstotliwości

Polimery wytwarzane addytywnie były szeroko stosowane do produkcji elastycznych metamateriałów. Lepkosprężyste zachowanie tych polimerów przy częstotliwościach ultradźwiękowych pozostaje jednak słabo zbadane. Badanie to przedstawia protokół do oszacowania właściwości lepkosprężystych polimerów wydrukowanych w 3D i pokazania, jak je wykorzystać do analizy dynamiki metamateriału.

Charakterystyka rozpraszających elastycznych metamateriałów wytwarzanych w procesie wytwarzania przyrostowego

W tym artykule prześledzono cykl życia rezonatora membranowego z azotku krzemu, od projektu, przez produkcję, aż po charakterystykę.

Wytwarzanie i charakterystyka rezonatorów membranowych z azotku krzemu o wysokiej zawartości Q

Poznaj metodę projektowania filtrów MEMS z szerokim zakresem strojenia częstotliwości przy użyciu wibrometru laserowego Dopplera. Technika LDV umożliwia precyzyjne pomiary rezonansów wyższych modów i zapobiega uszkodzeniom urządzeń.

Metodologia projektowania i charakteryzacji wydajnych filtrów MEMS o szerokim zakresie

Przeglądaj więcej filmów